3D-Mikrowellendrucker für endlosfaserverstärkte Polymere

Viele Industriezweige, wie die Automobil- und Luftfahrtbranche, setzen auf Faserverbundwerkstoffe als Hightech-Material. Aus einer Kunststoffmatrix mit verstärkenden Fasern, aus Glas oder Kohlenstoff, entstehen mithilfe additiver Fertigungstechniken Bauteile mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht.

Stand der Technik

Es existieren einige additive Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Kunststoffteile, wie Filamentdruck, Stereolithografie oder Selektives Lasersintern, die teils den 3D-Druck mit Kurzfasern ermöglichen. Die bekannten Verfahren für die Endlosfaserverstärkung sind jedoch aufgrund der verwendeten nachteiligen Heizquelle und der Drucksteuerungstechnologie stark eingeschränkt hinsichtlich Filamentdurchmesser, Faservolumengehalt und Druckgeschwindigkeit.

Technologie

Auf Basis elektromagnetischer Erwärmung haben Wissenschaftler am Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik (IHM) ein alternatives 3D-Druckverfahren entwickelt, das endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe (CFRTP) mit hoher Geschwindigkeit verarbeitet. Dies gelingt mit einem resonanten Mikrowellenapplikator als Druckkopf, der ein gleichmäßiges und schnelles Erhitzen selbst bei großen Filamentdurchmessern ermöglicht. Hierbei wird ein vorimprägniertes Filament – ein fadenförmiges Polymer, das die Endlosfasern umschließt – in einen Koaxialresonator geführt und fungiert dort auch als Innenleiter des Resonators. Während sich das faserverstärkte Filament durch den Resonator bewegt, wird es durch Mikrowellenstrahlung über den gesamten Volumenquerschnitt erhitzt. Das aufgeheizte Filament wird schließlich aus der Druckdüse extrudiert oder pultrudiert und auf die Druckplattform oder als freistehende Gitterstruktur im dreidimensionalen Raum gedruckt.

Vorteile

Die Mikrowellendrucktechnik ermöglicht die flexible Herstellung von mechanisch belastbaren Faserverbundstrukturen, indem es die Vorteile der unmittelbaren, selektiven und volumetrischen Mikrowellenerwärmung nutzt. Mit einer bis zu zehnmal höheren Druckgeschwindigkeit als gängige Technologien sowie der Eignung für Filamente mit großem Durchmesser bietet das Verfahren hohes Potenzial für Industrieanwendungen.

Optionen für Unternehmen

Am IHM wurde ein Prototyp des Mikrowellendruckers samt Pfadplanungs- und Steuerungssystem (SERPENS) aufgebaut. Zur anwendungsspezifischen Ausgestaltung des Druckers und zum Einsatz des Verfahrens, welches vom Tischgerät bis zum großen Industriegerät skaliert und nachgerüstet werden kann, sucht das KIT Entwicklungspartner.